RAM (Random Access Memory)

RAM (Random Access Memory) ist die Hardware in einem Computer, in der das Betriebssystem (OS), die Anwendungsprogramme und die aktuell verwendeten Daten gespeichert werden, damit sie vom Prozessor des Geräts schnell erreicht werden können. RAM ist der Hauptspeicher in einem Computer. Er kann viel schneller gelesen und beschrieben werden als andere Arten von Speicher, z. B. Festplattenlaufwerke (HDD), Solid-State-Laufwerke (SSD) oder optische Laufwerke.

Random Access Memory ist flüchtig. Das bedeutet, dass die Daten im Arbeitsspeicher erhalten bleiben, solange der Computer eingeschaltet ist, aber sie gehen verloren, wenn der Computer ausgeschaltet wird. Wenn der Computer neu gestartet wird, werden das Betriebssystem und andere Dateien erneut in den Arbeitsspeicher geladen, normalerweise von einer Festplatte oder SSD.

Funktion des Arbeitsspeichers

Aufgrund seiner Flüchtigkeit kann der Arbeitsspeicher keine dauerhaften Daten speichern. RAM kann mit dem Kurzzeitgedächtnis einer Person verglichen werden und eine Festplatte mit dem Langzeitgedächtnis einer Person. Das Kurzzeitgedächtnis ist auf die unmittelbare Arbeit ausgerichtet, kann aber immer nur eine begrenzte Anzahl von Fakten im Blick behalten. Wenn das Kurzzeitgedächtnis eines Menschen voll ist, kann es mit Fakten aus dem Langzeitgedächtnis des Gehirns aufgefrischt werden.

Auch ein Computer funktioniert auf diese Weise. Wenn der Arbeitsspeicher voll ist, muss der Prozessor des Computers immer wieder auf die Festplatte zugreifen, um die alten Daten im Arbeitsspeicher mit neuen Daten zu überlagern. Dieser Vorgang verlangsamt den Betrieb des Computers.

Die Festplatte eines Computers kann komplett voll sein und keine weiteren Daten mehr aufnehmen, aber dem RAM geht der Speicher nicht aus. Die Kombination aus RAM und Speicher kann jedoch vollständig aufgebraucht werden.

Wie funktioniert RAM?

Der Begriff Random Access (Zufallszugriff) im Zusammenhang mit RAM kommt daher, dass auf jeden Speicherplatz, auch bekannt als jede Speicheradresse, direkt zugegriffen werden kann. Ursprünglich wurde der Begriff Random Access Memory verwendet, um den regulären Kernspeicher vom Offline-Speicher zu unterscheiden.

Offline-Speicher bezog sich typischerweise auf Magnetbänder, von denen aus auf ein bestimmtes Stück Daten nur durch sequentielles Auffinden der Adresse, beginnend am Anfang des Bandes, zugegriffen werden konnte. RAM ist so organisiert und gesteuert, dass Daten direkt an bestimmten Stellen gespeichert und abgerufen werden können.

Auf andere Speicherarten – wie Festplatten und CD-ROMs – wird ebenfalls direkt oder zufällig zugegriffen, aber der Begriff Random Access wird nicht verwendet, um diese anderen Speicherarten zu beschreiben.

RAM ähnelt vom Konzept her einer Reihe von Kästchen, in denen jedes Kästchen eine 0 oder eine 1 enthalten kann. Jedes Kästchen hat eine eindeutige Adresse, die durch Zählen über die Spalten und Zeilen hinweg gefunden wird. Ein Satz von RAM-Kästen wird als Array bezeichnet, und jeder Kasten wird als Zelle bezeichnet.

Um eine bestimmte Zelle zu finden, sendet der RAM-Controller die Spalten- und Zeilenadresse über eine in den Chip geätzte dünne elektrische Leitung. Jede Zeile und Spalte in einem RAM-Array hat ihre eigene Adressleitung. Alle gelesenen Daten fließen über eine separate Datenleitung zurück.

RAM ist physikalisch klein und wird in Mikrochips gespeichert. Er ist auch klein in Bezug auf die Datenmenge, die er speichern kann. Ein typischer Laptop verfügt über 8 Gigabyte RAM, während eine Festplatte 10 Terabyte fassen kann.

Eine Festplatte hingegen speichert Daten auf der magnetisierten Oberfläche einer Art Schallplatte. Eine SSD hingegen speichert Daten in Speicherchips, die im Gegensatz zu RAM nicht flüchtig sind. Sie sind nicht auf eine konstante Stromversorgung angewiesen und verlieren die Daten nicht, wenn der Strom abgeschaltet wird. RAM-Mikrochips sind in Speichermodulen zusammengefasst. Diese werden in Steckplätze auf der Hauptplatine eines Computers gesteckt. Die Verbindung zwischen den Steckplätzen auf der Hauptplatine und dem Prozessor erfolgt über einen Bus oder eine Reihe elektrischer Leitungen.

Bei den meisten PCs können die Benutzer RAM-Module bis zu einer bestimmten Grenze hinzufügen. Je mehr Arbeitsspeicher in einem Computer vorhanden ist, desto seltener muss der Prozessor Daten von der Festplatte lesen, was länger dauert als das Lesen von Daten aus dem Arbeitsspeicher. Die Zugriffszeit auf den Arbeitsspeicher wird in Nanosekunden angegeben, während die Zugriffszeit auf den Massenspeicher in Millisekunden angegeben wird.

Wie viel Arbeitsspeicher brauchen Sie?

Die Menge des benötigten Arbeitsspeichers hängt davon ab, was der Benutzer tut. Für die Videobearbeitung beispielsweise wird ein System mit mindestens 16 GB RAM empfohlen, wobei mehr wünschenswert ist. Für die Fotobearbeitung mit Photoshop empfiehlt Adobe ein System mit mindestens 3 GB RAM, um Photoshop CC auf einem Mac auszuführen. Wenn der Benutzer jedoch gleichzeitig mit anderen Anwendungen arbeitet, können selbst 8 GB RAM die Arbeit verlangsamen.

Arten von RAM

RAM gibt es in zwei Hauptformen:

• Dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM) bildet den Arbeitsspeicher des typischen Computergeräts, der, wie bereits erwähnt, eingeschaltet sein muss, um die gespeicherten Daten zu halten.

Jede DRAM-Zelle hat eine Ladung oder einen Mangel an Ladung, die in einem elektrischen Kondensator gehalten wird. Diese Daten müssen alle paar Millisekunden mit einer elektronischen Ladung aufgefrischt werden, um Lecks im Kondensator auszugleichen. Ein Transistor dient als Gatter, das bestimmt, ob der Wert eines Kondensators gelesen oder geschrieben werden kann.

• Statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) benötigt ebenfalls konstante Energie, um Daten zu speichern, muss aber nicht ständig aufgefrischt werden, wie dies bei DRAM der Fall ist.

In SRAM fungiert der Transistor als Schalter, wobei eine Position als 1 und die andere Position als 0 dient. Statisches RAM benötigt mehrere Transistoren, um ein Datenbit zu speichern, während dynamisches RAM nur einen Transistor pro Bit benötigt. Infolgedessen sind SRAM-Chips viel größer und teurer als eine entsprechende Menge DRAM.

Allerdings ist SRAM wesentlich schneller und verbraucht weniger Strom als DRAM. Aufgrund der Preis- und Geschwindigkeitsunterschiede wird statischer RAM hauptsächlich in kleinen Mengen als Cache-Speicher im Prozessor eines Computers verwendet.

Geschichte des RAM: RAM vs. SDRAM

RAM war ursprünglich asynchron, weil die RAM-Mikrochips eine andere Taktfrequenz hatten als der Prozessor des Computers. Dies stellte ein Problem dar, als die Prozessoren immer leistungsfähiger wurden und der Arbeitsspeicher nicht mit den Datenanforderungen des Prozessors Schritt halten konnte.

Anfang der 1990er Jahre wurden die Taktgeschwindigkeiten mit der Einführung des synchronen dynamischen Arbeitsspeichers (SDRAM) synchronisiert. Durch die Synchronisierung des Computerspeichers mit den Eingaben des Prozessors konnten die Computer Aufgaben schneller ausführen.

Das ursprüngliche SDRAM mit einfacher Datenrate (SDR SDRAM) stieß jedoch schnell an seine Grenzen. Um das Jahr 2000 wurde das Double Data Rate Synchronous Random Access Memory (DDR SRAM) entwickelt. DDR SDRAM wurde dreimal weiterentwickelt, mit DDR2, DDR3 und DDR4, und mit jeder neuen Version wurde der Datendurchsatz erhöht und der Stromverbrauch gesenkt. Jede DDR-Version war jedoch nicht mit den früheren Versionen kompatibel, da die Daten bei jeder Weiterentwicklung in größeren Stapeln verarbeitet wurden.

GDDR-SDRAM

Grafik-SDRAM mit doppelter Datenrate (GDDR) wird in Grafik- und Videokarten verwendet. Wie DDR SDRAM ermöglicht diese Technologie das Verschieben von Daten an verschiedenen Punkten eines CPU-Taktzyklus. Bei parallelen Aufgaben wie 2D- und 3D-Video-Rendering sind enge Zugriffszeiten nicht so notwendig, und GDDR kann die für die GPU-Leistung erforderlichen höheren Geschwindigkeiten und Speicherbandbreiten ermöglichen.

Ähnlich wie DDR hat GDDR mehrere Entwicklungsgenerationen durchlaufen, die jeweils mehr Leistung und geringeren Stromverbrauch boten. GDDR6 ist die neueste Generation des Grafikspeichers.

RAM vs. virtueller Speicher

Bei einem Computer kann es zu Speicherknappheit kommen, insbesondere wenn mehrere Programme gleichzeitig laufen. Mit virtuellem Speicher werden Daten vorübergehend aus dem Arbeitsspeicher in den Festplattenspeicher übertragen, und der virtuelle Adressraum wird durch die Verwendung von aktivem Speicher im Arbeitsspeicher und inaktivem Speicher auf einer Festplatte vergrößert, um zusammenhängende Adressen zu bilden, die eine Anwendung und ihre Daten enthalten. Mit Hilfe des virtuellen Speichers kann ein System größere Programme oder mehrere Programme gleichzeitig laden, die dann so arbeiten, als ob sie über unendlich viel Speicher verfügen, ohne dass mehr Arbeitsspeicher hinzugefügt werden muss.

Der virtuelle Speicher kann doppelt so viele Adressen verarbeiten wie der Arbeitsspeicher. Die Anweisungen und Daten eines Programms werden zunächst an virtuellen Adressen gespeichert, und sobald das Programm ausgeführt wird, werden diese Adressen in tatsächliche Speicheradressen umgewandelt.

Ein Nachteil des virtuellen Speichers ist, dass er einen Computer verlangsamen kann, da Daten zwischen dem virtuellen und dem physischen Speicher abgebildet werden müssen. Mit physischem Speicher allein arbeiten Programme direkt im RAM.

RAM vs. Flash-Speicher

Flash-Speicher und RAM bestehen beide aus Festkörperchips. Sie spielen jedoch in Computersystemen eine unterschiedliche Rolle, da sie sich in der Art ihrer Herstellung, ihren Leistungsspezifikationen und ihren Kosten unterscheiden. Flash-Speicher werden als Speichermedien verwendet. RAM wird als aktiver Speicher verwendet, der Berechnungen mit den aus dem Speicher abgerufenen Daten durchführt.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen RAM und Flash-Speicher besteht darin, dass die Daten aus dem NAND-Flash-Speicher in ganzen Blöcken gelöscht werden müssen. Das macht ihn langsamer als RAM, wo die Daten in einzelnen Bits gelöscht werden können.

NAND-Flash-Speicher ist jedoch preiswerter als RAM und außerdem nicht flüchtig. Im Gegensatz zu RAM kann er Daten auch dann speichern, wenn der Strom abgeschaltet ist. Aufgrund seiner langsameren Geschwindigkeit, seiner Nichtflüchtigkeit und seiner geringeren Kosten wird Flash häufig als Speicher in SSDs verwendet.

RAM vs. ROM

Bei einem Nur-Lese-Speicher oder ROM handelt es sich um einen Computerspeicher, der Daten enthält, die nur gelesen, aber nicht geschrieben werden können. ROM enthält die Startprogrammierung, die bei jedem Einschalten des Computers verwendet wird. Er kann im Allgemeinen nicht verändert oder umprogrammiert werden.

Die Daten im ROM sind nicht flüchtig und gehen nicht verloren, wenn der Computer ausgeschaltet wird. Daher wird Festwertspeicher für die dauerhafte Datenspeicherung verwendet. Random Access Memory hingegen kann Daten nur vorübergehend speichern. ROM hat in der Regel eine Speicherkapazität von mehreren Megabyte, während RAM mehrere Gigabyte groß ist.

Trends und zukünftige Richtungen

Resistive Random Access Memory (RRAM oder ReRAM) ist ein nichtflüchtiger Speicher, der den Widerstand des festen dielektrischen Materials, aus dem er besteht, verändern kann. ReRAM-Geräte enthalten einen Memristor, dessen Widerstand sich bei Anlegen unterschiedlicher Spannungen ändert.

ReRAM erzeugt Sauerstofflücken, die physikalische Defekte in einer Oxidschicht sind. Diese Leerstellen stellen zwei Werte in einem binären System dar, ähnlich wie die Elektronen und Löcher eines Halbleiters.

ReRAM hat eine höhere Schaltgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen nichtflüchtigen Speichertechnologien wie NAND Flash. Außerdem verspricht es eine hohe Speicherdichte und einen geringeren Stromverbrauch als NAND-Flash. Dies macht ReRAM zu einer guten Option für Speicher in Sensoren, die in der Industrie, in der Automobilindustrie und im Internet der Dinge eingesetzt werden.

Anbieter haben jahrelang darum gekämpft, die ReRAM-Technologie zu entwickeln und Chips in die Produktion zu bringen. Einige wenige Anbieter liefern sie derzeit aus.

Die 3D-XPoint-Technologie, wie Intels Optane, könnte schließlich die Lücke zwischen dynamischem RAM und NAND-Flash-Speicher füllen. 3D XPoint verfügt über eine transistorlose Kreuzpunkt-Architektur, bei der sich Selektoren und Speicherzellen an der Kreuzung senkrechter Drähte befinden. 3D XPoint ist nicht so schnell wie DRAM, aber es ist ein nichtflüchtiger Speicher.

In Bezug auf Leistung und Preis liegt die 3D XPoint-Technologie zwischen schnellem, aber teurem DRAM und langsamerem, weniger teurem NAND-Flash. Mit der Weiterentwicklung der Technologie könnte die Unterscheidung zwischen RAM und Speicher verschwimmen.

5G und der RAM-Markt

Im Februar 2019 veröffentlichte die JEDEC Solid State Technology Association die JESD209-5, Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5). LPDDR5 wird schließlich mit einer I/O-Rate von 6400 MT/s arbeiten, 50 Prozent höher als die der ersten Version von LPDDR4. Dies wird die Speichergeschwindigkeit und -effizienz für eine Vielzahl von Anwendungen erheblich steigern. Dazu gehören mobile Computergeräte wie Smartphones, Tablets und ultradünne Notebooks.

LPDDR5 wurde mit einer Datenrate von 6400 MT/s veröffentlicht, verglichen mit 3200 MT/s für LPDDR4 bei seiner Veröffentlichung im Jahr 2014.

Im Juli 2019 begann Samsung Electronics mit der Massenproduktion des branchenweit ersten mobilen 12-Gigabit-LPDDR5-DRAM. Laut Samsung wurde es für die Ermöglichung von 5G- und KI-Funktionen in zukünftigen Smartphones optimiert.

Kosten für Arbeitsspeicher

Im Sommer 2019 blieben die DRAM-Preise im Vergleich zu früheren Niveaus niedrig – aber dennoch volatil. Eine Reihe von Variablen trug zu dieser Volatilität bei, darunter:

• eine Angebotsschwemme
• Marktspannungen zwischen Südkorea und Japan (Heimat der beiden weltweit größten Hersteller von Speicherchips, Samsung und SK Hynix)
• die Einführung der nächsten Generation von Mobilchips, LPDDR5
• die verstärkte Einführung der 5G-Technologie
• ein erwarteter Anstieg der Nachfrage nach Unterhaltungselektronik im Internet der Dinge (IoT), wie Autos und tragbare Geräte, die die Chips verwenden